基因編輯為育種帶來新天地-國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)資源平臺(tái)

不久前，袁隆平院士宣布了一項(xiàng)重大成果：水稻親本去鎘技術(shù)獲得突破，為解決鎘污染土地種植安全水稻提供了先進(jìn)方案。這項(xiàng)重大成果是利用基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

 

利用基因編輯技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物育種，如今已經(jīng)成為國際科學(xué)競(jìng)賽新的熱門領(lǐng)域，國內(nèi)外都有前沿消息傳來。下面，我們特約請(qǐng)中國水稻研究所副研究員王春介紹有關(guān)這方面的知識(shí)。

 

1.農(nóng)業(yè)育種為什么需要基因編輯技術(shù)

 

生物體的性狀及活動(dòng)都是由基因控制的。如果將決定一個(gè)生物體最根本遺傳信息的基因組比喻成一本書，那么人類首先要做的事情是讀出這些DNA序列信息，獲得這本生命之書。隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)序成本的降低，越來越多的生命之書被破解，例如人類的基因組序列早在2003年就已測(cè)序完成并對(duì)外公布；水稻、玉米、番茄等重要農(nóng)作物的基因組序列也已測(cè)序完成。

 

獲得了這本生命之書后，人們嘗試著讀懂這些信息。在過去的二十幾年里，科學(xué)家主要通過突變體來解讀這些基因信息。以水稻為例，通過化學(xué)或物理誘變的方法，隨機(jī)改變遺傳信息，獲得各種各樣千奇百怪的水稻突變體，從最簡單的一個(gè)基因控制一個(gè)表型入手，先觀察受影響的表型，再找到控制這個(gè)表型的基因，解讀那段基因序列的功能。通過不懈的努力，許多控制重要農(nóng)藝性狀的基因已經(jīng)被解讀，為下一步的改造提供了依據(jù)。當(dāng)然，還有更多未知的基因功能等待著科學(xué)家研究。

 

接下來，人類想做的就是如何按照我們的需求來編輯修改這些遺傳信息，并使之可以固定遺傳。這就迫切需要一把“基因魔剪”——基因編輯技術(shù)。

 

早期的ZFNs和TALENs技術(shù)最先被應(yīng)用于基因編輯，但由于這兩項(xiàng)技術(shù)的使用比較復(fù)雜且成本較高，限制了它們的廣泛推廣應(yīng)用。

 

2012至2013年間，一項(xiàng)新的基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9橫空出世，具有簡單高效的優(yōu)點(diǎn)，立即風(fēng)靡生物界，大大推進(jìn)了基礎(chǔ)科學(xué)研究、人類基因治療與作物遺傳育種等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。CRISPR-Cas9系統(tǒng)主要由兩個(gè)元件組成，一個(gè)是負(fù)責(zé)切割DNA序列的核酸酶Cas9，另一個(gè)是負(fù)責(zé)在基因組上精確定位的sgRNA，它們倆就像一把剪刀和一把尺子一樣，在基因組這本生命之書上精準(zhǔn)地找到需要編輯的位置，進(jìn)行剪切，就如同我們?cè)陔娔X上編輯一篇word文檔那么簡單。

 

2.與轉(zhuǎn)基因技術(shù)完全不同

 

基因編輯技術(shù)育種與我們常聽到的轉(zhuǎn)基因技術(shù)育種是兩種完全不同的技術(shù)。

 

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將人工分離和修飾過的外部基因?qū)�入到目的生物體的基因組中，從而改造生物。轉(zhuǎn)基因?qū)�入的基因片段在受體基因組中插入的位置是隨機(jī)的，并不固定。在農(nóng)業(yè)育種上，科學(xué)家往往將另一物種中的某些基因轉(zhuǎn)到農(nóng)作物中，以達(dá)到抗蟲、抗病、抗除草劑等目的。例如，利用Bt基因抵抗棉鈴蟲就是一個(gè)成功應(yīng)用微生物殺蟲劑的轉(zhuǎn)基因例子。Bt基因是來自蘇云金桿菌的一段DNA序列，將這段來自細(xì)菌的序列通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)到棉花中時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因棉花就會(huì)表達(dá)BT蛋白，從而達(dá)到殺死棉鈴蟲保護(hù)棉花的目的。BT蛋白特異性地針對(duì)鱗翅目昆蟲發(fā)揮作用，人類和絕大多數(shù)動(dòng)物既沒有可以激活原毒素的蛋白酶，也不存在能和BT蛋白特異性結(jié)合的受體，所以BT蛋白對(duì)人類的健康沒有任何影響。

 

基因編輯技術(shù)不轉(zhuǎn)入外源基因，只是對(duì)作物內(nèi)部存在的基因進(jìn)行修飾�；�因編輯技術(shù)通常是將農(nóng)作物本身的一些“不良基因”敲除，達(dá)到去劣存優(yōu)的目的，這需要在基因組上精準(zhǔn)地找到目標(biāo)，并進(jìn)行如外科手術(shù)般精準(zhǔn)的遺傳操作。要想成功實(shí)施基因定點(diǎn)編輯，首先就是要將“剪刀”和“尺子”傳遞到細(xì)胞核里，接觸到基因組序列，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行編輯。在完成目標(biāo)基因的微創(chuàng)手術(shù)之后，所有的外源成分將被完全剔除掉。因此基因編輯的工具，如同上了屋的梯子，在使用完畢后，就被剔除了。在最終獲得的植株中，并沒有殘留一點(diǎn)外源成分，具有與常規(guī)誘變品種無異的優(yōu)點(diǎn)，因此在作物改良的生產(chǎn)應(yīng)用上更為安全。

 

3.在農(nóng)作物育種中優(yōu)勢(shì)初顯

 

“基因魔剪”已經(jīng)在部分農(nóng)產(chǎn)品中發(fā)揮功能，為我們創(chuàng)造了一些之前很難獲得的新品種。

 

白粉病是小麥的重要病害之一，嚴(yán)重影響到小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的高彩霞研究員與中國科學(xué)院微生物所的邱金龍研究員合作，利用基因編輯技術(shù)，首次在小麥中實(shí)現(xiàn)了MLO基因的突變，從而獲得了對(duì)白粉病具有廣譜抗性的小麥材料，并且整個(gè)過程最快僅需要半年左右時(shí)間，在小麥農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)上具有重大意義。

 

美國Calyxt公司通過基因編輯技術(shù)降低土豆中天門冬酰胺和單糖的含量，使得土豆既能夠耐冷藏，同時(shí)能夠減少高溫烹飪時(shí)產(chǎn)生的致癌物質(zhì)丙烯酰胺。

 

賓夕法尼亞大學(xué)的楊亦農(nóng)實(shí)驗(yàn)室利用CRISPR-Cas9 技術(shù)，在白蘑菇中將容易引起褐變的多酚氧化酶的編碼基因敲除了1個(gè)（原來有3個(gè)），將該酶活性降低了30%，從而獲得了不易褐變的白蘑菇，更易于保存及運(yùn)輸。

 

美國杜邦先鋒公司通過CRISPR-Cas9技術(shù)敲除控制直鏈淀粉合成的Waxy1基因獲得了糯玉米新品種。

 

不久前，中國工程院院士、“雜交水稻之父”袁隆平宣布了一項(xiàng)重大成果：水稻親本去鎘技術(shù)獲突破。袁隆平的研究團(tuán)隊(duì)同樣利用了這把“基因魔剪”，將水稻中參與吸收鎘離子的基因敲除了，獲得了不吸收鎘離子的水稻品種。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用，為解決鎘污染土地種植安全水稻提供了完美的解決方案。

 

延伸閱讀

 

農(nóng)作物育種走過的那些路

 

自從人類開始通過種植農(nóng)作物來養(yǎng)活自己，就從來沒有停止過馴化改良各種農(nóng)作物性狀。但是自然突變的過程非常隨機(jī)及緩慢，且并不是所有的突變都是有利的。因此，在近代以前，有利性狀的篩選及積累是一個(gè)很漫長的過程。

 

后來，在孟德爾遺傳規(guī)律的指導(dǎo)下，育種家們開始進(jìn)行雜交育種來培育新品種。雜交育種是將兩個(gè)或多個(gè)品種的優(yōu)良性狀通過交配集中在一起，再經(jīng)過選擇和培育，培育出新的優(yōu)良品種。通過雜交育種，育種家們選育出了大量優(yōu)良的新品種，為糧食安全提供了有力保障。但是，雜交育種少則五六年，多則十幾年才能獲得，十分耗時(shí)耗力。同時(shí)，用傳統(tǒng)育種方法可能無法實(shí)現(xiàn)對(duì)一些優(yōu)異基因的利用，目前傳統(tǒng)育種進(jìn)入了緩慢發(fā)展的平臺(tái)期。

 

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，為農(nóng)作物育種提供了一種方向。一些有用的外源或內(nèi)源基因的轉(zhuǎn)化，可以大大加強(qiáng)農(nóng)作物在抗蟲、抗病、抗旱、增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)上的特性，且開發(fā)新轉(zhuǎn)基因品種所耗的時(shí)間短，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。雖然轉(zhuǎn)基因技術(shù)在醫(yī)學(xué)、食品加工和糧食生產(chǎn)等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，給疾病治療和糧食安全帶來了巨大的收益，但是部分公眾認(rèn)為外源基因的引入會(huì)帶來不確定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)基因育種仍然存有一定的疑慮。

 

如今，基因編輯技術(shù)的應(yīng)用，為農(nóng)作物育種注入了新的活力。由于基因編輯系統(tǒng)培育的品種不含有任何外源成分，有效避免了類似于轉(zhuǎn)基因帶來的不確定性。此外，基因編輯技術(shù)對(duì)基因的編輯是可控的、精準(zhǔn)的�？梢灶A(yù)見，基因編輯技術(shù)在作物育種上具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

 

科學(xué)有規(guī)范

 

基因編輯技術(shù)育種如何監(jiān)管？

 

一直以來，轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物受到非常嚴(yán)格的監(jiān)管。

 

那么，基因編輯技術(shù)育種，是否也要和轉(zhuǎn)基因育種一樣，受到同樣的監(jiān)管？由于基因編輯技術(shù)育種相對(duì)更安全，對(duì)此也存在一些不同看法。

 

美國農(nóng)業(yè)部于2016年4月批文，認(rèn)定前文提到的基因編輯蘑菇、玉米不需要受傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因政策的監(jiān)管，因此加快了基因編輯作物的上市速度，讓美國本土公司獲得了先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

 

2015年，瑞典農(nóng)業(yè)委員會(huì)明確解釋，某些由CRISPR引入的植物突變，并不符合歐盟對(duì)轉(zhuǎn)基因的定義；德國稱，使用比較古老的寡聚核苷酸法得到的基因編輯油菜，并不屬于轉(zhuǎn)基因生物，因?yàn)闊o法將它與常規(guī)突變得到的產(chǎn)品區(qū)分開來；阿根廷也認(rèn)為，基因編輯作物并不屬于轉(zhuǎn)基因的監(jiān)管范疇。

 

目前，我國對(duì)基因編輯產(chǎn)品是否需要監(jiān)管及如何監(jiān)管尚未有政策出臺(tái)，但業(yè)內(nèi)認(rèn)為應(yīng)該以以下標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分：1. 僅有個(gè)別核苷酸序列發(fā)生插入或缺失造成的突變，應(yīng)視同自然突變，無需監(jiān)管，且也無法檢測(cè)監(jiān)管；2. 有小片段序列插入或替換的材料，應(yīng)該以比較開放的態(tài)度傾向于不監(jiān)管；3.有大片段序列插入，特別是外源基因序列的插入，需要慎重監(jiān)管，以對(duì)待轉(zhuǎn)基因材料的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)待。

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